Mensen met mechanische hartkleppen hebben dagelijks bloedverdunners nodig omdat ze een hoger risico hebben op bloedstolsels en beroertes. Onderzoekers van het ARTORG Center van de Universiteit van Bern, Zwitserland, identificeerden nu de oorzaak van bloedturbulentie die tot stolling leidt. Ontwerp optimalisatie kan het risico op stolling aanzienlijk verminderen en deze patiënten toelaten te leven zonder levenslange medicatie.
De meeste mensen zijn bekend met turbulentie in de luchtvaart: bepaalde wind omstandigheden veroorzaken een hobbelige passagiersvlucht. Maar zelfs in menselijke bloedvaten kan de bloedstroom turbulent zijn. Turbulentie kan voorkomen wanneer bloed stroomt langs bochten of randen van het vat, waardoor een abrupte verandering in de stroomsnelheid ontstaat. Turbulente bloedstroom genereert extra krachten die kans op bloedstolsels geeft. Deze stolsels groeien langzaam tot ze kunnen rondzwerven door de bloedbaan en een beroerte veroorzaken door een slagader te blokkeren in de hersenen.
Mechanische hartkleppen produceren turbulente bloedstromen. Patiënten met kunstmatige hartkleppen lopen aldus een hoger risico op stolsel vorming. Het verhoogd risico is bekend uit de observatie van patiënten na de implantatie van een kunstklep. De stolling risicofactor is bijzonder ernstig voor de ontvangers van mechanische hartkleppen, waarbij de patiënten elke dag bloedverdunners moeten krijgen om het risico op een beroerte te vermijden. Tot nu toe is het onduidelijk waarom mechanische hartkleppen de vorming van stolsels veel meer bevorderen dan andere kleptypen, b.v. biologische hartkleppen.
Een team van ingenieurs van de Cardiovascular Engineering Group aan het ARTORG Center for Biomedical Engineering Research aan de Universiteit van Bern heeft nu met succes een mechanisme geïdentificeerd dat aanzienlijk kan bijdragen aan de vorming van stolsels. Ze gebruikten complexe wiskundige methoden uit de hydrodynamische stabiliteitstheorie, een subveld van vloeistofmechanica, dat al vele decennia met succes gebruikt wordt om zuinige vliegtuigen te ontwikkelen. Dit is het eerste gebruik van deze methoden in de geneeskunde, die natuurkunde en toegepaste wiskunde combineren.
Door gebruik van complexe computersimulaties op vlaggenschip supercomputers in het Centro Svizzero di Calcolo Scientifico in Lugano, kon het onderzoeksteam aantonen dat de huidige vorm van de stroom regulerende kleppen leidt tot sterke turbulentie in de bloedstroom. “Door te navigeren door de simulatiegegevens hebben we ontdekt hoe het bloed botst op de voorkant van de klep flappen en hoe de bloedstroom snel onstabiel wordt en turbulente draaikolken vormt,” legt hoofdauteur Hadi Zolfaghari uit. “De sterke krachten die in dit proces worden gegenereerd, kunnen bloedstolling vormen en ervoor zorgen dat zich onmiddellijk stolsels vormen achter de klep. Supercomputers hebben ons geholpen één van de hoofdoorzaken te ontdekken van turbulentie in deze kleppen en de hydrodynamische stabiliteitstheorie heeft ons geholpen om er een technische oplossing voor te vinden.”
De mechanische hartkleppen die in de studie werden gebruikt, bestonden uit een metalen ring en twee flappen die draaien op scharnieren; de kleppen openen en sluiten naar binnen bij elke hartslag om bloed uit het hart te laten stromen maar niet terug naar binnen. In het onderzoek heeft het team ook bekeken hoe de hartklep kan verbeterd worden. Het toonde aan dat zelfs een licht gewijzigd ontwerp van de kleppen het bloed liet stromen zonder instabiliteiten te veroorzaken die leiden tot turbulentie. Zo’n bloedstroom zonder turbulentie zou de kans op stolsels en beroerte aanzienlijk verminderen.
Leven zonder bloedverdunners?
Meer dan 100.000 mensen per jaar ontvangen een mechanische hartklep. Vanwege het hoog risico op stolling moeten al deze mensen bloedverdunners nemen, elke dag en voor de rest van hun leven. Als de hartkleppen zijn verbeterd vanuit het oogpunt van vloeistof mechanica is het denkbaar dat ontvangers van deze kleppen geen bloedverdunners meer zouden nodig hebben. Dit kan leiden tot een normaal leven zonder bloedverdunners. “Het ontwerp van de mechanische hartkleppen is nauwelijks aangepast sinds hun ontwikkeling in de jaren 1970,” zegt Dominik Obrist, hoofd van de onderzoeksgroep van het ARTORG Center. “Daarentegen is er veel onderzoek en ontwikkeling verricht in andere technische gebieden, zoals vliegtuigontwerp. Overwegend hoeveel mensen een kunstmatige hartklep hebben, is het tijd om over design optimalisatie te praten om deze mensen een beter leven te geven.”
Vertaling persbericht : Andre Teirlinck